Научная статья на тему 'Перспективы низкочастотного ультразвука для обеззараживания воды'

Перспективы низкочастотного ультразвука для обеззараживания воды Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
428
171
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НИЗКОЧАСТОТНЫЙ УЛЬТРАЗВУК / ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ / УРАВНЕНИЕ РЕГРЕССИИ / LOW-FREQUENCY ULTRASOUND / DISINFECTION WATER / EQUATION OF REGRESSION

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Тазиева Л. Ш., Закиров Р. К., Ахмадуллина Ф. Ю.

Исследовано влияние низкочастотного ультразвука на эффективность обеззараживания вод культурно-бытового назначения от E. coli. Получено уравнение регрессии, адекватно описывающее обеззараживающий эффект ультразвука в зависимости от трех параметров: интенсивности, продолжи-тельности ультразвукового обеззараживания, а также начальной зараженно-сти проб воды.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The influence of low-frequency ultrasound to disinfection of water from E. coli was studded. The equation of regression of disinfection of water was obtained from 3 variable: intensity, continuance of ultrasound disinfection and level infectiousness of water.

Текст научной работы на тему «Перспективы низкочастотного ультразвука для обеззараживания воды»

Л. Ш. Тазиева, Р. К. Закиров, Ф. Ю. Ахмадуллина

ПЕРСПЕКТИВЫ НИЗКОЧАСТОТНОГО УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Ключевые слова: низкочастотный ультразвук, обеззараживание воды, уравнение регрессии.

Исследовано влияние низкочастотного ультразвука на эффективность обеззараживания вод культурно-бытового назначения от E. coli. Получено уравнение регрессии, адекватно описывающее обеззараживающий эффект ультразвука в зависимости от трех параметров: интенсивности, продолжительности ультразвукового обеззараживания, а также начальной зараженности проб воды.

Keywords: low-frequency ultrasound, disinfection water, equation of regression.

The influence of low-frequency ultrasound to disinfection of water from E. coli was studded. The equation of regression of disinfection of water was obtained from 3 variable: intensity, continuance of ultrasound disinfection and level infectiousness of water.

Использование плавательных бассейнов спортивного, общего и медицинского назначения занимает значительное место в спортивной и социальной сфере современного общества и вносит существенный вклад в оздоровление населения развитых стран. За последние годы в России активно строятся новые и реконструируются существующие общественные бассейны, аквапарки и частные купальные бассейны, что диктуется необходимостью укрепления здоровья населения. Однако эта цель может быть достигнута только в том случае, если их устройство, а главным образом, эксплуатация позволяют соблюдать соответствующий режим, отвечающий необходимым гигиеническим требованиям.

Анализ литературных данных, опыт работы очистных сооружений водопроводных станций и плавательных бассейнов показали, что наиболее высокая степень обеззараживания достигается при использовании сильных окислителей - хлора и озона [1-5]. Однако хлорирование и гиперхлорирование, что характерно для малых объектов культурнобытового назначения, приводят к образованию высокотоксичных соединений, обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами. Наиболее опасны тригалометаны. Они оказывают отдаленные последствия на здоровье: происходит мутация обмена веществ, хромосом, возможны наследственные изменения вплоть до врожденных уродств [6].

Высокая вероятность заглатывания воды, обработанной дезинфектантом, подтвержденная экспериментально [7], а также повышенная концентрация легколетучих и наиболее опасных хлорсодержащих соединений в воздухе плавательных бассейнов, что подтверждено исследованиями специалистов НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН [8], значительно повышают риск отравления посетителей малых объектов культурно-бытового назначения.

Что касается озона, его канцерогенные свойства [9], отсутствие постэффекта при обеззараживании [10], образование токсичных продуктов, в том числе формальдегида,

способствующего развитию онкологических заболеваний [11], сложность аппаратурного оформления и необходимость в специальной подготовке обслуживающего персонала [12], а также отсутствие методов и аппаратуры для оперативного контроля эффективности обеззараживая воды озонированием снижают перспективы использования озона для малых бассейнов с низкой нагрузкой, в том числе частных.

В связи с этим, востребованной задачей сегодняшнего дня является разработка альтернативного хлорированию и озонированию метода обеззараживания воды культурнобытового назначения, который обеспечивал бы эпидемическую безопасность в отношении грибковых, вирусных, бактериальных и паразитарных заболеваний, передаваемых через воду, и предупреждал бы возможность вредного влияния химического состава воды на организм человека, в том числе раздражающего действия на слизистые и кожу, и интоксикацию при поступлении токсичных веществ при дыхании, через поврежденную кожу и при заглатывании воды.

Ретроспективный анализ трудов показал, что таким эффективным способом дезинфекции может стать ультразвуковая обработка воды. Уже в ранних работах было отмечено бактерицидное действие ультразвуковых колебаний. В экспериментальных условиях различные исследователи наблюдали гибель кишечной палочки, дизентерийной палочки, ЕЬегШе11а 1урЬова, вегетативных и споровых форм Бай. БиЫШв, туберкулезной палочки и других бактерий [13-14]. В работах Фальковской было показано значительное бактерицидное действие ультразвука как на вегетативные, так и споровые формы микроорганизмов, а также его независимость от мутности и цветности обрабатываемой воды [15], в то время как для хлорирования характерна существенная зависимость его бактерицидного действия от концентрации дисперсной фазы и недостаточное сильное действие на споровые формы микроорганизмов. Также установлено разрушительное действие ультразвуковых волн на вирусы [16].

Кроме того, ряд технологических преимуществ ультразвуковой обработки воды обусловливает перспективность и целесообразность ее использования при дезинфекции вод культурно-бытового назначения. Так, в отличие от ионизирующих излучений при использовании ультразвука не требуется биологическая защита. Процессы с применением ультразвука можно осуществить в аппаратах без перемешивающих устройств, выполненных из любых материалов, независимо от режима их проведения. Это определяет возможность применения данного метода для усовершенствования существующих технологий при сравнительно небольших затратах [17].

Целью настоящих исследований являлось изучение эффективности ультразвуковой обработки для обеспечения санитарно-гигиенической надежности воды культурнобытового назначения.

Оценка эффективности использования низкочастотного ультразвука для достижения поставленной цели осуществлялась относительно кишечной палочки. ЕЕ выбор в качестве микробиологического объекта был обусловлен тем, что содержание колиформных бактерий - один из основных микробиологических показателей воды согласно [18,19], а также с возможностью сопоставления эффективности различных методов обеззараживания (хлорирования, озонирования, ультразвука).

Экспериментальные исследования проводили на модельных водах с имитацией заражения кишечной палочкой, для чего использовали препарат «Колибактерин».

Озвучивание проб исследуемых вод проводили на ультразвуковой установке УЗДН-

А. Режим ультразвуковой обработки составлял: интенсивность I - от 6 до 10 вт/см2, продолжительность т - от 3 до 7 минут.

Оценка обеззараживающего эффекта низкочастотного ультразвука осуществлялась по относительному показателю (Э,%):

Э (N0 - N1)

N '

где No, N1 - число Е. coli (КОЕ/100 мл) в контрольной и опытных пробах воды.

Наличие кишечной палочки определяли прямым посевом на агар Эндо. Кратность разведения составляла 1:100 и 1:1000.

Учитывая нагревание пробы воды при ее озвучивании, в работе измеряли начальную и конечную температуры исследуемых проб.

Для получения достоверной информации опыты дублировались.

Обобщенные результаты серии экспериментов приведены на рисунке 1.

■ 6.15 П8.7 В9.0 012.39

_________________________________________В__________________________________________

Рис. 1. - Влияние степени зараженности воды (п-10 КОЕ/100 мл) и режима ультразвуковой обработки на эффективность дезинфекции:а) Т = 3 мин; б) 5 мин; в) 7 мин

Анализ графического материала свидетельствует о следующем. Интенсивность ультразвуковой обработки, равная 6 Вт/см2, во всем интервале продолжительности озвучивания не обеспечивает санитарно-гигиеническую надежность обработанной воды. Полное обеззараживание для всех исследованных проб воды наблюдается при режимах: Л - 8 Вт/см2, т - 7 мин и независимо от времени ультразвуковой обработки при

Л - 10 Вт/см2. Следует отметить влияние начальной обсемененности воды Е. соїі на эффективность ее обеззараживания, явно выраженное для более мягких режимов ультразвукового воздействия.

Для оценки влияния трех параметров: интенсивности, продолжительности ультразвукового обеззараживания, а также начальной зараженности проб воды была проведена

математическая обработка экспериментальных данных. В качестве регрессионной модели была использована полиномиальная зависимость второго порядка функции трех переменных:

к к-1 к

у = Ьо +ЕЬ • X; +£^ЬІІхіхІ + £• х2 і=і і=і і=і+і і=і

где у - эффективность обеззараживания воды по контрольным показателям, %; Ь - коэффициенты уравнения регрессии; Хі - начальная обсемененность проб воды, кл/л;Х2 - интенсивность ультразвукового воздействия, Вт/см2; Хз - продолжительность ультразвукового воздействия, мин.

Коэффициенты полученного регрессионного уравнения приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Коэффициенты регрессионного уравнения

Ь0 Ь1 Ь2 Ь3 Ь11 Ь22 Ь33 Ь12 Ь13 Ь23

-223,366 0,926 13,028 50,434 -0,004 1,123 -1,623 -0,023 0,004 -3,148

2

Высокое значение коэффициента детерминации (К = 0,87) свидетельствует о хорошей сходимости экспериментальных и расчетных данных и подтверждает адекватность полученного уравнения регрессии.

Невозможность графически изобразить целевую функцию, зависящую от трех переменных, обусловило для исследования взаимного влияния управляющих факторов построение поверхностей функции двух переменных у = f (Х;, х) при определенном значении третьей. Более наглядно полученную информацию демонстрируют проекции полученных поверхностей.

На рисунке 2 представлена зависимость эффективности обеззараживания воды от ее начальной зараженности и интенсивности ультразвуковой обработки при постоянном значении продолжительности озвучивания.

Полученное регрессионное уравнение позволяет прогнозировать эффективность обеззараживания в интервале изученной обсемененности воды Е. соїі при любых условиях ультразвукового воздействия и, как следствие, осуществлять выбор режима ультразвуковой обработки, обеспечивающего санитарно-гигиеническую надежность обработанной воды.

Таким образом, проведенные исследования подтвердили высокую эффективность ультразвуковой обработки воды культурно-бытового назначения для ее обеззараживания от кишечной палочки.

2

Рис. 2 - Зависимость эффективности обеззараживания от интенсивности (Вт/см ) и времени озвучивания (мин) при постоянной начальной обсемененности воды

Литература

3. Красовский, Г.Н. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды плавательных бассейнов/ Г.Н. Красовский, Б.М. Кудрявцева// Гигиена и санитария. - 1998. - №2. -С. 5-7.

4. Паскуцкая, Л.Н. Очистка и обеззараживание воды в плавательных бассейнах/ Л.Н. Паскуцкая, В.Л. Драгинский, Г.Л. Медриш, Д.Л. Басин// Водоснабжение и санитарная техника. - 1980. - №9.

- С. 3-5.

5. Вандышев, А.Б. Особенности обеззараживания озоном воды в плавательных бассейнах рециркуляционного типа. А.Б. Вандышев, В.А. Куликов, С.Н. Никишин, Р.Л. Акрамов// Гигиена и санитария. - 2006. - №6. - С. 76-78.

6. Гончарук, В.В. Современное состояние проблемы обеззараживания воды / В.В. Гончарук, Н.Г. Потапченко // Химия и технология воды. - 1998. - Т.20. - №2. - С. 19 - 21.

7. Рябченко, В.А. Действие озона для обработки воды плавательных бассейнов / В.А. Рябченко, Н.А. Русланова // Гигиена и санитария. - 1986 . - №4. - С. 20 - 23.

8. Филова, В.А. Вредные химические вещества. Галоген - и кислородсодержащие органические соединения / В.А. Филова. - М.: СПб., 1994. - 105с.

9. Подуст, А.Н. Книга о вкусной и здоровой... воде/ А.Н. Подуст. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2007. - 134 с.: ил.

10. Жолдакова, З.И. Вопросы гармонизации гигиенических требований к плавательным бассейнам с международными рекомендациями/ З.И. Жолдакова// Гигиена и санитария. - 2010. - №2. - С. 93-96.

11. Куликов, В.А. Очистка и обеззараживание оборотной воды плавательных бассейнов озоном / В.А. Куликов, А.Б. Вандышев, В.М. Макаров, Т.Б. Усова, С.Н. Никишин, И.В. Данилов // Водоснабжение и санитарная техника - 1988. - №6. - С. 7 - 9.

12. Кожинов, И.В. Особенности применения озона на водоочистных станциях России / И.В. Кожинов,

В.Л Драгинский, Л.П. Алексеева // Водоснабжение и санитарная техника. - 1997. - №10. - С. 2-6.

13. Драгинский, В.Л. Образование токсичных продуктов при использовании различных окислителей для очистки воды / В. Л. Драгинский, Л.П. Алексеева // Водоснабжение и санитарная техника

- 2002. - №2. - С. 9-13.

14. Методические рекомендации по применению озонирования и сорбционных методов в технологии очистки воды загрязнений природного и антропогенного происхождения. - М.: НИИ КВОВ, 1955. - С. 2-5.

15. Эльпинер, Л.И. О санитарно-показательном значении кишечной палочки при обеззараживании воды ультразвуком / Л.И. Эльпинер // Гигиена и санитария. - 1961. - №10. - С.13-16.

16. Закиров, Р.К. Эффективность ультразвуковой обработки при обеззараживании сточных вод органического синтеза / Р.К. Закиров, Ф.Ю. Ахмадуллина, Н.Н. Валеев; Казан. технолог. ун-т. -Казань, 2000. - 7с.- Деп. в ВИНИТИ, № 1701/В00.

17. Фальковская, Л.Н. Обеззараживание питьевой воды ультразвуковыми колебаниями / Л.Н. Фальковская // Гигиена и санитария. - 1956. - №1. - С.11-14.

18. Эльпинер, И.Е. Ультразвуковые волны в микробиологии / И.Е. Эльпинер // Микробиология. -1952. - Т.21, №2. - С.228-237.

19. Закиров, Р.К. Интенсификация процесса биологической очистки сточных вод с применением методов реагентной и ультразвуковой обработки: дис. канд. техн. наук / Р.К. Закиров. - Казань, 2001.- 160с.

20. Справочник по очистке природных и сточных вод / под ред. Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мель-дер, Б.Н. Репин. - М.: Высш. шк., 1994. - 336 с.

21. Герасимов Г.Н. Обеззараживание коммунальных питьевых вод: необходимость и возможности / Г.Н.Герасимов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2000. - №10. - С. 32-36.

© Л. Ш. Тазиева - магистр каф. промышленной биотехнологии КГТУ, tazieva_leysan@mail.ru; Р. К. Закиров - доц. той же кафедры, zakrus@mail.ru; Ф. Ю. Ахмадуллина - ст. препод. той же кафедры.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.